Эксплуатационные характеристики материалов после плазменного упрочнения

Структура упрочненного слоя, характеризующаяся большой твердостью и высокой дисперсностью, оказывает определяющее влияние на изменение (улучшение или ухудшение) эксплуатационных характеристик упрочненных материалов — износостойкость, механические свойства (прочность, пластичность, трещиностойкость, выносливость), тепло- и коррозионностойкость.

Характер изменения эксплуатационных характеристик при плазменном упрочнении наряду с фазовыми и структурными превращениями обусловлен также реализацией определенных механизмов упрочнения при их взаимосвязи. Известно, что в результате закалки происходит комплексное упрочнение материала, определяемое влиянием дефектов тонкой кристаллической структуры (дислокаций, вакансий и их комплексов), мартенситными превращениями и включениями дисперсной фазы. Рассмотрим влияние различных механизмов структурного и субструктурного упрочнения металлов на их эксплуатационные характеристики.

Поскольку в большинстве случаев плазменное упрочнение используется для повышения износостойкости деталей, оценим ее в зависимости от режимов и технологии обработки. При этом методика испытаний на износостойкость назначается в соответствии с условиями эксплуатации упрочняемых деталей.

Так, испытания на износостойкость после плазменного упрочнения сталей 30ХГСА, 9ХФ и 150ХНМ, используемых для изготовления деталей металлургического оборудования, проводили на машине трения МИ-1М по схеме «вращающееся кольцо — неподвижная колодка» (рис. 16) в масляно-абразивной среде. Имитировались условия трения «металл по металлу с абразивной прослойкой», характерные для эксплуатации многих деталей прокатного, агломерационного, доменного и сталеплавильного оборудования, штампов горячей штамповки.

	Износостойкость после объемной закалки (по стандартным для данных материалов режимам), плазменного упрочнения без перекрытия ЗТВ (dо = 6 мм), плазменного упрочнения с перекрытием ЗТВ на 30 % (по аналогичным режимам) оценивали по коэффициенту Кi, определяемому как отношение потери массы идентич-
Рис. 16. Схема испытаний на износостойкость: 1— образец; 2 — контртело; 3 — масляно-абразивная среда.

ных образцов в исходном неупрочненном состоянии к потере массы образцов после упрочнения. На рис. 17 показано изменение коэффициента износостойкости в зависимости от микротвердости поверхности упрочненных образцов.

Влияние микротвердости на износостойкость в упрочненном состоянии для каждой марки стали однозначно: с увеличением микротвердости износостойкость повышается (зависимость Кi от Н имеет линейный вид). В то же время при практически одинаковой микротвердости (7500—8000МПа) степень повышения износостойкости исследованных сталей неодинакова (рис. 17) в связи с их разной износостойкостью в исходном состоянии и морфологическими особенностями закаленной структуры.

Снижение износостойкости при плазменном упрочнении с перекрытием ЗТВ по сравнению с упрочнением без перекрытий связано с некоторым уменьшением микротвердости в результате повторного нагрева (рис. 16). Кроме того, в этом случае на обработанной поверхности появляются зоны отпуска шириной 1—3 мм.

При выполнение каждого последующего прохода на том участке предыдущей зоны, где температура нагрева превышала А_С1 происходит полная фазовая перекристаллизация, а затем повторная закалка, в результате чего структура этого участка зоны не отличается от структуры новой зоны На том участке предыдущей зоны, где температура нагрева была ниже А_С1, происходит скоростной отпуск ранее возникшей закаленной структуры.

Рис. 17. Изменение коэффициента износостойкости в зависимости от микротвердости после упрочнения: 1— наплавленный металл ЗОХГСА; II — сталь 9ХФ; III — сталь 150ХНМ; 1 — объемная закалка; 2 — плазменное упрочнение с перекрытием ЗТВ на 30%; 3 — плазменное упрочнение без перекрытий	Рис. 18. Изменение механических характеристик по глубине упрочненного слоя: 1 — sв; 2 — ss; 3 — y

Снижение микротвердости в зоне отпуска на участке перекрытия дорожек не превышает 20%. Более интенсивное избирательное изнашивание на границах ЗТВ и в зонах отпуска отсутствует, поскольку процесс определяется прежде всего изнашиванием закаленных дорожек. Зоны отпуска занимают значительно меньшую площадь поверхности и при их износе проявляется «теневой» эффект. Практическое применение плазменного упрочнения с перекрытием ЗТВ может быть обусловлено в ряде случаев требованием обеспечения большей стабильности глубины упрочненного слоя. В целом, оба рассмотренных технологических варианта плазменного упрочнения обеспечивают высокую износостойкость и по этому показателю значительно эффективней объемной закалки.

Повышение износостойкости при плазменном упрочнении сталей установлено и в процессе испытаний на стенде, в условиях, имитирующих условия работы направляющих металлорежущих станков (трение скольжения при возвратно-поступательном движении с подачей смазки и абразивных частиц в место контакта), а также на машине трения СМЦ-2.

Исследовалось влияние плазменного упрочнения на механические свойства стали 45 при исходной микротвердости Н = 2400МПа. Режимы обработки плазмотроном прямого действия варьировались в следующих пределах: Iд = 80—112A, u_п = 60—168 м/ч, dc = 6 мм, Qг — 1 л/с, l = 10 мм. Обработка осуществлялась без оплавления поверхности. Механические характеристики (предел прочности s_в, предел текучести s_s, относительное сужение y) определялись по методу вдавливания индентора (шарика диаметром 5 мм из закаленной стал» ШХ15 с HRC62—66). Установленный характер изменения механических характеристик (рис. 18) связывают с послойным расположением зон разной микроструктуры с различной микротвердостью. На поверхности упрочненной зоны установлено снижение прочностных и повышение пластических характеристик, что способствует четырех-шестикратному увеличению износостойкости по сравнению с исходным состоянием.

Наряду с оценкой механических свойств важное практическое значение имеет оценка трещиностойкости материалов. Этот вопрос особенно важен при разработке технологии плазменного упрочнения таких изделий, как прокатные валки, ролики и штампы, металлообрабатывающий инструмент.

Циклические воздействия термомеханических напряжений, возникающих в поверхностных микрообъемах за счет периодического контакта валка (ролика, штампа и т. п.) с горячим металлом, и принудительного охлаждения способствуют образованию на рабочей поверхности сетки трещин термомеханической усталости («сетки разгара»), первоначально ориентированных произвольным образом. В процессе дальнейшей эксплуатации наблюдается предпочтительный рост трещин в направлении приложения внешних нагрузок (для валков и роликов — кольцевые трещины). Эти трещины при определенных условиях могут стать магистральными, что приведет к полному разрушению изделия. Такие условия могут возникнуть для рассмотренного круга изделий в результате воздействия больших динамических нагрузок (например, при входе заготовки в контакт с валками). В связи с этим специфика эксплуатации и повреждаемости указанных изделий выдвигает при выборе оптимальных технологических процессов их упрочнения одним из главных критериев, наряду с повышением износостойкости, обеспечение достаточно высокой стойкости к зарождению и распространению трещин. Наиболее полную оценку трещиностойкости можно получить с использование критериев механики разрушения, являющихся фундаментальными характеристиками материалов в их конкретных структурных состояниях.

Для оценки трещиностойкости материалов после плазменного упрочнения были проведены испытания на ударный изгиб с осциллографированием процесса разрушения в координатах «усилие — время». Конструкция образцов для испытаний показана на рис. 19.

На осциллограммах разрушения по известным методикам определялись критерии динамической трещиностойкости: ударная вязкость К_С, работа зарождения трещины К_Сз, работа распространения трещины К_Ср, максимальное усилие разрушения Р_mах, расчетное разрушающее усилие P_с, критический коэффициент интенсивности напряжений K_1c, скорость распространение трещины u_тр. В результате испытаний установлено, что после плазменного упрочнения рассмотренных материалов

	ударная вязкость снижается в 1,5—3 раза. Это объясняется высокой хрупкостью поверхностного закаленного слоя и, следовательно, резким снижением работы зарождения трещины в этом слое. Упрочнение высококонцентрированными
Рис. 19. Схема изготовления образцов для испытаний материалов на трещиностойкость после плазменного упрочнения.

источниками нагрева по сравнению с традиционными способами поверхностного упрочнения обеспечивает возможность получения структур с более высокой твердостью. Объясняется это наличием больших структурных микронапряжений. По мнению исследователей, неоднородные структурные микронапряжения (второго рода и локальные) и обусловливают высокую склонность к хрупкому разрушению сталей со структурой мартенсита закалки. Разрушающее усилие и коэффициент интенсивности напряжений после упрочнения также снижаются, однако в значительно меньшей степени, что свидетельствует о более низкой чувствительности силовых критериев трещиностойкости к поверхностному охрупчиванию по сравнению с энергетическими.

Качественный анализ наиболее характерных осциллограмм разрушения некоторых из испытанных сталей до и после упрочнения показал, что характер разрушения упрочненных сталей принципиально отличается от характера разрушения неупрочненных сталей. При испытании сталей, которое в исходном состоянии не имеют упрочненного поверхностного слоя, когда структура и механические свойства однородны по всему сечению разрушения, процесс разрушения проходит в две стадии — зарождение трещины и ее распространение до полного разрушения образца.

При испытании упрочненных образцов, когда структура стали в сечении разрушения состоит из двух слоев — закаленного и исходного металла, процесс разрушения проходит в несколько стадий — субмикроскопическая трещина зарождается и растет в упрочненном слое. На границе с исходным (более мягким) металлом она останавливается. Для дальнейшего ее распространения необходимы существенно большие усилия, чем усилия зарождения в упрочненном слое. Такой сложный механизм разрушения упрочненных материалов известен в механике композиционных материалов как «множественное разрушение».

Микрофрактографический анализ изломов показал, что применение плазменного упрочнения позволяет изменить микромеханизм разрушения сталей. Упрочненная зона имеет более дисперсный по сравнению с исходной структурой микрорельеф излома и представляет собой квазискол, характеризующийся плохо различимыми фасетками скола, соединенными между собой гребнями отрыва и неглубокими ямками. С увеличением содержания углерода в стали и соответственно, степени дисперсности мартенсита упрочненной зоны дисперсность фасеток квазискола также возрастает.

Резкое различие микромеханизмов разрушения в упрочненной зоне и в исходной структуре позволяет считать стали, упрочненные плазменной струей, слоистым композиционными материалами с твердым и хрупким поверхностным слоем и относительно мягким и пластичным внутренним слоем. На изломах упрочненных образцов на участках перехода от закаленной к исходной структуре, наблюдаются специфические ступени, свидетельствующие о торможении трещины по механизму искривления её траектории. Это можно объяснить, с одной стороны, более высокой пластичностью исходной структуры этих сталей, а с другой,— переходом на границе упрочненной зоны остаточных напряжений от сжимающих к растягивающим, которые стремятся изменить направление распространения трещины. Такой же микромеханизм торможения трещины установлен и для других способов поверхностного упрочнения (азотирования, виброударного, борирования), характеризующихся, как и плазменное, наличием достаточно резкой границы между зонами с различными свойствами.

Вместе с тем выявленное торможение трещины на упрочненных сталях с содержанием углерода до 0,9 % не способствует повышению их трещиностойкости из-за сильного снижения работы зарождения трещины в хрупком поверхностном слое и недостаточно высокой вязкости разрушения этих сталей в исходном состоянии. Для повышения трещиностойкости деталей, упрочненных плазменной струей и эксплуатируемых в условиях интенсивных динамических нагрузок, необходимо принимать дополнительные технологические меры.

Дата добавления: 2014-01-04